Содержание к диссертации
Глава 1. Магнитные свойства горных пород и минералов при повышенных давлениях и температурах (по литературным данным).
Остаточная намагниченность горных пород и минералов в условиях повышенных давлений и температур 11
Магнетизм системы мелких ферримагнитных частиц 19
Магнитная восприимчивость горных пород в условиях повышенных давлений..28
Коэрцитивная сила и разрушающее поле горных пород и минералов 30
Глава 2. Методика, техника и объект исследования.
Автоматический вибрационный термомагнитометр 37
Автоматический вибрационный пьезомагнитометр 38
Установка для сдвигового воздействия под повышенным давлением 42
Установка для измерения магнитной восприимчивости горных пород при повышенных давлениях 44
Установка для изучения магнитных свойств горных пород при повышенных давлениях в переменных магнитных полях 44
Установка для изучения длительности воздействия давления при повышенных температурах на намагничивания горных пород 46
Автоматические вакуумные магнитные микровесы 49
Объекты исследований 53
Методика измерений и исследований 60
Погрешности измерений 62
Выводы 64
Глава 3 Пьезомагнитные свойства пород и ансамбля частиц магнетита.
3.1. Остаточная намагниченность 68
Влияние давления на остаточную намагниченность насыщения и термоостаточную намагниченность ансамбля частиц магнетита 68
Сравнительное изучение термоостаточной и идеальной остаточной намагниченности магнетита 74
3.1.3. Пьезоостаточная намагниченность магнетита при повышенных давлениях в
зависимости от размеров частиц 76
3.1.4. Влияние длительности действия повышенных давлений при высоких
температурах на термоостаточную намагниченность 78
Магнитная восприимчивость 82
Обсуждение результатов исследования пьезомагнитных свойств ансамбля частиц магнетита 87
Геофизическое приложение результатов исследования пьезомагнитных свойств
ансамбля частиц магнетита 98
3.4.1. Пьезомагнитный критерий однодоменности 100
3.5. Выводы 102
Глава 4. Остаточная намагниченность, коэрцитивная сила и плотность дислокаций магнетита после сдвигового воздействия под давлением.
Влияние сдвигового воздействия под давлением на основные виды остаточной намагниченности 105
Коэрцитивная сила, разрушающее поле и плотность дислокаций магнетита после сдвигового воздействия под давлением 114
Плотность дислокаций частиц порошка после воздействия повышенных давлений 114
Коэрцитивная сила и разрушающее поле магнетита после сдвигового воздействия под давлением 117
Обсуждение полученных результатов 121
Выводы 125
Глава 5. Влияния разрушения и дробления образца при сдвиговом воздействии под давлением на магнитные свойства магнетита и гематита.
5.1. Магнитные свойства магнетита 130
Температурная зависимость намагниченности насыщения магнетита 130
Кривые намагничивания и параметры гистерезиса магнетита 136
Температурная зависимость намагниченности насыщения гематита 138
Рентгеноструктурные исследования 148
Обсуждение полученных результатов 150
Выводы 158
Глава 6. Магнитные свойства железистых кварцитов Кольского полуострова и Камчатских туфов после сдвигового воздействия под давлением.
Магнитные свойства железистых кварцитов Кольского полуострова 160
Температурная зависимость намагниченности насыщения железистых кварцитов после сдвигового воздействия под давлением 161
Магнитные свойства магнетитов из зон разломов 166
Магнитные свойства Камчатских туфов после сдвигового воздействия под повышенным давлением 171
Обсуждение и геофизическое приложение полученных результатов 176
Выводы 180
Глава 7. Магнитные и пьезомагнитные характеристики базальтов Красного моря и гипербазитов Южного Урала.
7.1. Магнитные свойства подводных базальтов Красного моря 182
Влияние повышенных давлений на естественную остаточную, термоостаточную намагниченности и на остаточную намагниченность насыщения подводных базальтов 183
Влияние переменного магнитного поля на естественную остаточную и термоостаточную намагниченности подводных базальтов 184
Температурная зависимость естественной остаточной намагниченности и намагниченности насыщения 187
Температурная зависимость намагниченности насыщения подводных базальтов после сдвигового воздействия под давлением 190
7.2. Магнитные свойства гипербазитов гор Крака после сдвигового воздействия под
повышенным давлением 195
Температурная зависимость намагниченности насыщения гипербазитов... 196
Температурная зависимость гистерезисных свойств гипербазитов 200
Химический состав и микроструктура гипербазитов гор Крака 202
Рентгеноструктурные исследования 206
Обсуждение и геофизическое приложение полученных результатов.... 210
Выводы 217
Заключение 219
Литература 228
Введение к работе
Горные породы континентальной и океанской коры в течение геологической жизни находятся под воздействием тангенциального напряжения геодинамического характера в присутствии литостатического давления, обусловленного весом вышележащих слоев. Намагниченность глубинных горных пород, находящихся в сложно-напряженном состоянии, несет очень ценную геофизическую информацию о физических свойствах недоступного для непосредственного изучения вещества земной коры и является источником аномального магнитного поля (АГП). Источниками АГП могут быть только намагниченные горные породы, ограниченные снизу изоповерх-ностью температуры Кюри магнитных минералов, образующие магнитоактивный слой (MAC) земной коры. Разработанные в настоящее время модели MAC основаны на интерпретации АГП и имеют неопределенности, так как решение этой обратной задачи геофизики требует информации о магнитном состоянии горных пород in situ.
Результаты глубокого бурения [118] и сейсмопрофилирования, а также измерения реальных напряжений показывают [157], что горные породы земной коры находятся в сложном поле механических напряжений, с присутствием горизонтальных составляющих, которые приводят к появлению касательных напряжений, вызывающих сдвиговые деформации пород [150, 158]. Современная тектоническая активность свидетельствуют о горизонтальных перемещениях тектонических пластин земной коры [37]. При этом в зонах тектонических нарушений, а также в тектонических структурах возникает сложное поле напряжений с преобладанием касательных [40]. Поэтому для получения информации о состоянии намагниченности глубинных пород земной коры, находящихся в сложнонапряженном состоянии, актуальна разработка методов физического моделирования. Вследствие этого, для решения проблем, связанных с формированием MAC земной коры, имеет большое значение экспериментальное изучение влияния сдвиговых воздействий под повышенным квазивсесторонним давлением (ВД+СД) на магнитные свойства горных пород.
Сдвиговые напряжения могут приводить к частичному разрушению и раздроблению пород. Экспериментальные исследования влияния раздробления горных пород в процессе обработки в условиях ВД+СД на их магнитные свойства также актуальны для изучения механизма образования тектонических структур, разломов и характера распределения напряжений в них. Учитывая также, что большинство рудных месторождений приурочивается к зонам повышенной тектонической активности,
то изучение влияния раздробления пород в процессе ВД+СД на физические свойства горных пород также позволило бы по-новому рассмотреть формирование ряда геологических (в том числе рудных) тел.
Ферримагнитные включения, содержащиеся в горных породах и являющиеся носителями /„, имеют, как правило, небольшие размеры от мкм до мм. От величин размеров частиц зависит величина /„ и другие магнитные свойства пород. Фактически размерный фактор определяет их магнитные характеристики и устойчивость по отношению к воздействию давления, температуры и магнитного поля. С другой стороны, изучение ферримагнитных частиц в условиях ВД+СД имеет большое значение для магнетизма горных пород в связи с тем, что «зацементированные» в породе од-нодоменные частицы наилучшим образом сохраняют в течение длительного времени естественную остаточную намагниченность, несущую информацию об условиях ее образования, о древнем магнитном поле Земли. Поэтому для правильного геофизического приложения полученных данных важное место занимает выяснение особенностей физического механизма сдвигового воздействия под повышенным давлением на магнитные свойства наиболее распространенных в природе ферримагнитных минералов, континентальных и океанских пород.
В настоящее время достаточно подробно изучены влияния одноосных, всесторонних и квазивсесторонних давлений на магнитные свойства горных пород. В то же время публикации, посвященные исследованию магнитных свойств горных пород в условиях ВД+СД, до начала данной работы отсутствовали. Отсутствие публикаций обусловлено несколькими причинами: во-первых, трудностями изготовления и применения сложной испытательной и измерительной техники; во-вторых, необходимостью применения высокочувствительных установок для измерения магнитных свойств образцов горных пород после обработки их в условиях ВД+СД; в-третьих, необходимостью проведения термомагнитных исследований в вакууме, поскольку при высоких температурах на воздухе происходит интенсивное окисление мелких ферримагнитных частиц.
Анализ литературы по теме диссертации показывает, что до начала данной работы в основном изучалось влияние термодинамических факторов, характерных для верхней части коры, на обратимые и необратимые изменения магнитные свойства горных пород: на изменение начальной магнитной восприимчивости; на образование и разрушение различных видов остаточной намагниченности с целью оцен-
ки сейсмомагнитного эффекта. Влияние квазивсесторонних давлений, характерных для средних и нижних горизонтов земной коры, изучено только на необратимые изменения магнитных свойств и на стабильность различных видов остаточной намагниченности. В лабораторных экспериментах намагниченность (в большинстве случаев только остаточная) измерялась после воздействия давления и температуры. В то же время известно, что глубинные породы намагничиваются и всегда находятся под воздействием повышенных давлений и температур. В другой серии работ теоретически смоделированы изменения магнитных параметров горных пород при высоких давлениях и температурах, которые представляют, наряду с лабораторными экспериментами, интерес при изучении глубинного строения земной коры. В последние десятилетия установлены особенности намагничивания пород континентальной и океанской коры, обусловленные влиянием давления и температуры на их магнитоминералогические свойства. Однако следует отметить, что в настоящее время разработанные на основе этих данных все модели MAC учитывают только действие литостатического давления, определяемого весом вышележащих толщ. Учет и поправка на присутствие повышенных тектонических напряжений, обусловленных геодинамическими процессами, не вносится, В то же время статистическая обработка данных по разным методам измерений в верхней части земной коры показывает, что 75% всех измерений свидетельствуют о превалировании горизонтальных напряжений над вертикальными давлениями в 1,5-6 раз, а максимальное сжимающее напряжение в 80% случаев ориентировано почти горизонтально.
Цель работы. Исследование посвящено установлению закономерностей влияния сдвигового воздействия под повышенным квазивсесторонним давлением и механического измельчения на магнитные свойства и структуру минералов и горных пород, слагающих земную кору.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи: 1. Разработка и изготовление специальных установок для измерения магнитных параметров горных пород после обработки их в условиях ВД+СД; 2. Исследование влияния повышенных давлений на изменения структурно - нечувствительных и структурно - чувствительных магнитных параметров (спонтанная намагниченность (ls), точка Кюри (Тс), коэрцитивная сила (Нс) и начальная магнитная восприимчивость (ее0)) горных пород и минералов, полученных механическим измельчением; 3. Изучение закономерностей изменения остаточной намагниченности, коэрцитивной силы, а
также плотности дислокаций и температурной зависимости намагниченности насыщения порошков магнетита, гематита с различными размерами частиц, полученных обработкой их в условиях сдвигового воздействия под повышенным квазивсесторонним давлением; 4. Изучение влияния сдвигового воздействия под повышенным квазивсесторонним давлением на температурную зависимость намагниченности насыщения пород как континентального, так и океанского происхождения; 5. Разработка физического механизма влияния сдвигового воздействия под повышенным квазивсесторонним давлением на магнитные свойства ферримагнитных минералов и горных пород. Геофизическое приложение полученных экспериментальных данных.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование влияния сдвигового воздействия под повышенным квазивсесторонним давлением на магнитные свойства и температурную зависимость намагниченности насыщения ферримагнитных минералов и пород океанского и континентального происхождения.
Установлены неизвестные ранее закономерности изменения структурно-чувствительных характеристик, а также плотности дислокаций и начальной магнитной восприимчивости ансамбля частиц магнетита при ВД+СД.
Выявлены неизвестные ранее закономерности влияния сдвигового воздействия при повышенном квазивсестороннем давлении на температурную зависимость намагниченности насыщения ферримагнитных минералов, входящих в состав горных пород. Обработка ферримагнитных минералов в условиях ВД+СД приводит к более интенсивным фазовым изменениям ферримагнитных минералов и горных пород по сравнению с воздействием только повышенных давлений.
Впервые установлено уменьшение (до 30%) величины намагниченности насыщения ферримагнитных минералов и горных пород, вызванного сдвиговым воздействием при повышенном квазивсестороннем давлении, что объясняется искажением строгой периодичности кристаллической решетки ферримагнитных включений в местах накопления дислокаций, образованных в результате воздействия ВД+СД,
Достоверность положений и выводов работы определяется измерениями на современной высокочувствительной аппаратуре и подтверждается сравнением результатов с материалами исследований, полученных другими авторами, работающими в области физики твердого тела и магнитных явлений. Некоторые результаты нашли подтверждение в более поздних исследованиях.
Научная и практическая значимость работы: Разработана специальная аппаратура для испытания образцов горных пород и минералов в условиях ВД+СД. Создан комплекс высокочувствительных установок для измерения магнитных параметров пород и минералов различных размеров, полученных раздроблением их в процессе обработки в условиях ВД+СД и механического измельчения. Разработана методика измерения магнитных параметров и температурной зависимости намагниченности насыщения образцов пород и минералов различных размеров.
Показана возможность физических методов исследования для получения информации о магнитном состоянии глубинных горных пород, находящихся в сложно-деформированном состоянии с преобладанием касательных напряжений.
Установлены особенности поведения коэрцитивной силы и начальной магнитной восприимчивости, а также закономерности разрушения остаточной намагниченности и изменения температурной зависимости намагниченности насыщения ферримагнитных минералов и горных пород после их обработки в условиях ВД+СД. На основе полученных данных установлены особенности физического механизма сдвигового воздействия под повышенным давлением на магнитные свойства горных пород. Данные исследования магнитных свойств горных пород, полученных после обработки в условиях ВД+СД, можно использовать для объяснения характера распределения напряжений тектонических структур и нарушений.
Разработан критерий, который рекомендуется использовать для оценки магнитного состояния частиц магнетита. Предложенный пьезомагнитный критерий расширяет возможности диагностики магнитного состояния ферримагнитных включений пород, испытавших действия повышенных напряжений и деформаций.
По результатам диссертации опубликованы две монографии, учебное пособие и 41 работа.
Полученные данные были обсуждены и изложены на: VII, VIII Всесоюзных совещаниях по физическим свойствам горных пород при высоких термодинамических параметрах (Ереван, 1985, Уфа, 1990); II, IV съездах «Постоянное геомагнитное поле, магнетизм горных пород и палеомагнетизм» {Тбилиси, 1981, Владимир-Суздаль, 1991); семинаре по геомагнетизму института Физики Земли РАН (Москва, 1982); XI Международной конференции «Высокие давления в науке и технике» (Киев, 1987); Международном симпозиуме по проекту II - З КАПГ «Геофизическое строение земной коры» (Махачкала, 1990); Всероссийской конференции «Физика конденсиро-
ванного состояния» (Стерлитамак, 1997); II Международной конференции «Университетское образование» (Москва, 1998); Международной конференции «Современное состояние теории и практики сверхпластичности материалов» (Уфа, 2000); XVIII международной школе-семинаре НМММ (Москва, 2002); международном семинаре «Палеомагнетизм и магнетизм горных пород» (Борок, 2002), на геомагнитном семинаре физфака МГУ с 1983 по 2003 г., а также на ежегодно проводимых итоговых научных конференциях Отделения наук о Земле АН РБ с 1997 г. по 2004 г. Основные положения, выносимые на защиту:
Создан аппаратурно - методический комплекс, применение которого позволило впервые получить данные о магнитных свойствах пород после разрушения их при повышенном давлении и сдвиге, а также расширило возможности получения информации о магнитном состоянии глубинных пород.
Установлены следующие закономерности влияния разрушения горных пород при повышенном давлении на их магнито - минералогические свойства: а) уменьшение остаточной намагниченности насыщения, термоостаточной намагниченности (на 10%) и рост пьезоостаточной намагниченности (на 12%) частиц ферримагнитных минералов различных размеров после разрушения их при повышенном давлении и сдвиге; б) уменьшение величины намагниченности насыщения (до 30%) ферримагнитных минералов после разрушения их при повышенном давлении и сдвиге; в) изменение характера температурной зависимости намагниченности насыщения, вызванного фазовыми превращениями ферримагнитных минералов горных пород, после разрушения их при повышенном давлении и сдвиге;
На основе анализа экспериментальных данных сделаны следующие выводы о физической природе влияния разрушения горных пород при повышенном давлении и сдвиге на их магнито - минералогические свойства: а) уменьшение размеров ферримагнитных включений горных пород в результате разрушения; б) искажение строгой периодичности кристаллической решетки ферримагнитных минералов в участках насыщенных дислокациями; в) фазовая неустойчивость ферримагнитных минералов;
Полученные результаты показали, что при геофизических исследованиях необходимо проводить специальный эксперимент для пород, подвергшихся к воздействию повышенных давлений'и разрушению in suti.
